Charakterisierung von miRNA-Profilen im Blut gesunder Probanden vor und nach kurzzeitiger Kontaktphase mit experimentellen Oberflächen

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind die häufigste Todesursache in entwickelten Ländern und machen 31 % der globalen Todesfälle aus. Trotz des signifikanten Fortschritts bei der Reduzierung von Mortalität und Morbidität durch die Einführung und Entwicklung von Stents, ist ihr Nutzen aufgrund biologischer Reaktionen, die durch den Kontakt von Blut mit artifiziellen Oberflächen ausgelöst werden, begrenzt. Diese Reaktionen wie Protein- absorption, Zelladhäsion, Inflammation und Thrombozytenaktivierung sind für Komplika- tionen wie In-Stent Thrombosen und In-Stent Restenosen verantwortlich. Um sie zu mil- dern und ihre molekularen Mechanismen zu verstehen, wurden umfangreiche For- schungsbemühungen unternommen. Eine vielversprechende Forschungsrichtung beinhaltet die Untersuchung von miRNAs, die kurze, nicht codierende RNA-Moleküle sind und eine wichtige Rolle in der Genregu- lation spielen. miRNAs sind an vielen biologischen Prozessen wie Zellwachstum und Zellentwicklung beteiligt. Diese Funktionen erfüllen sie, indem sie an komplementäre Stränge der mRNA binden und damit deren Expression beeinflussen. Sie reagieren auf Stimuli und steuern meist durch Post-transkriptionelle Inhibition die Expression von Ge- nen. In anderen Studien zeigte sich bereits, dass ein kurzer Stimulus ausreichen kann, um eine Veränderung in der miRNA zu bewirken. Aufgrund dessen haben wir die Hypothese aufgestellt, dass Änderungen in der miRNA-Expression eine Rolle bei der unmittelbaren Interaktion zwischen Blut und artifi- ziellen Oberflächen spielen könnten. Um diese Hypothese zu testen, haben wir die Ver- änderung des miRNA-Profils im Blut gesunder Probanden nach einem 30-sekündigen Kontakt mit verschiedenen Oberflächen untersucht. Für diesen Versuch stand eine neu designte 3-D superhydrophobe Oberfläche bestehend aus Al2O3 Nanowire und einer PTFEP Beschichtung zur Verfügung. Außerdem wurde das miRNA-Verhalten auf fol- genden acht weiteren Oberflächen getestet: Glas, Edelstahl 316L, Cobalt Chrome, Glas- Kaliumsilicat in Stickstoff gesintert, Glas-Kaliumsilicat in Luft gesintert, Cobalt-Chrom- Kaliumsilicat in Stickstoff gesintert, Cobalt-Chrom-Kaliumsilicat in Luft gesintert und Al/Al2O3. Die Ergebnisse zeigten Veränderungen in den miRNA Profilen nach kurzzeitigem Kon- takt (30s) von Vollblut mit den Oberflächen. Besonders interessant war der superhydro- phobe Effekt, der nur bei der Al/Al2O3-PTFEP Oberfläche ausgeprägt war und zu einem Abperlen des Vollblutes führte. Es zeigte sich, dass durch Kontakt mit dieser Oberfläche 19 miRNAs signifikant unterschiedlich im Vergleich zu den restlichen acht Oberflächen exprimiert wurden. Diese miRNAs wurden alle hochreguliert und wiesen teilweise III interessante Funktionen auf, die einen Einfluss auf die biologische Reaktion zwischen Blut und artifiziellen Oberflächen haben. Die Hochregulation der miR-130b-3p und der miR-320a wirkt antiinflammatorisch. Die Hochregulation der miR-320d hat eine wichtige Rolle in der Apoptose von glatten Mus- kelzellen und könnte damit protektiv gegen In-Stent Restenosen wirken. Die Hochregu- lation von miR-320c ist mit der Hemmung der Thrombozytenaktivierung assoziiert und könnte somit protektiv gegen In-Stent-Thrombosen wirken. Die Hochregulation von miR-320b und miR-6740-5p wirkt endothelprotektiv und die Hochregulation von miR-320b und miR-378a-3p wirkt durch den Schutz vor Ischämie- und Reperfusions- schäden der Kardiomyozyten kardioprotektiv. Somit könnten möglicherweise Komplika- tionen, die bei gängigen Oberflächenmaterialien entstehen können, unterbunden wer- den.

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries and a general issue, representing 31% of global deaths. Despite significant progress made in reducing mortality and morbidity through the introduction and development of stents, their use is still limited by biological reactions induced by blood contact with artificial surfaces. These reactions, including protein absorption, cell adhesion, inflammation, and platelet activation, lead to complications such as in-stent thrombosis and in-stent reste- nosis. In order to mitigate these responses and understand their underlying molecular mechanisms, extensive research efforts have been undertaken. One promising approach of research involves the examination of miRNA, a type of small non-coding RNA molecule that plays a crucial role in gene regulation. miRNAs are in- volved in a variety of biological processes, including cell growth and development, and can control gene expression by binding to complementary sequences in mRNA, either promoting or inhibiting its expression. miRNAs can respond to short stimuli with an im- mediate change in their expression, which was already demonstrated in other studies. With this in mind, we have hypothesized that changes in miRNA expression may play a role in the immediate interaction between blood and artificial surfaces. To test this hy- pothesis, we analyzed the change in miRNA profile in the blood of healthy subjects fol- lowing a 30 second contact with various artificial surfaces. For this experiment a newly designed 3-D superhydrophobic surface consisting of Al2O3 nanowires and a PTFEP coating was available. The miRNA behavior on eight other surfaces containing: Glass, stainless steel 316L, cobalt chrome, glass potassium silicate sintered in nitrogen, glass IV potassium silicate sintered in air, cobalt chromium potassium silicate sintered in nitrogen, cobalt chromium potassium silicate sintered in air and Al/Al2O3 was tested as well. The results of the experiment showed changes in miRNA profiles after brief contact be- tween blood and the surfaces. Notably, the superhydrophobic effect was only observed on the Al/Al2O3 PTFEP surface, causing the blood to bounce off the surface. Contact with this surface resulted in 19 miRNAs being expressed significantly differently than with the other eight surfaces. These miRNAs were all upregulated and some displayed inter- esting functions. For example, upregulation of miR-130b-3p and miR-320a was shown to have antiinflammatory effects, while upregulation of miR-320d was linked to smooth muscle cell apoptosis, potentially protective against in-stent restenosis. Upregulation of miR-320c was associated with inhibition of platelet activation, which could have a protective effect against in-stent thrombosis. In addition, upregulation of miR-320b and miR-6740-5p was found to be endothelial protective, while upregulation of miR-320b and miR-378a-3p was shown to be cardio protective, protecting cardiomyocytes from ischemic and reperfusion injury. This could potentially prevent complications associated with commonly used sur- face materials.